(3)厌氧处理工艺可产生无污染的能源沼气作为燃料使用;沼气燃烧后的产物是水,因此对环境无污染。
(4)厌氧生物处理可以把难被微生物吸收的有机氮转化成氨或确酸盐,从而提高营养成分的利用率。
(5)厌氧生物处理后的沼澄、沼液施用到土壤中可以改良土壤、增加农作物的产量。
(6)高浓度的有机废水也可以用厌氧生物技术来处理。且不需要大量水稀释。 (7)厌氧生物处理可以节省费用。 2.2.2厌氧生物处理技术的缺点
(1)厌氧生物处理启动周期较长。厌氧微生物的世代期长,微生物增长速率低,污泥增长缓慢,一般厌氧启动期需要几个月甚至更长的时间。如果增加接种污泥量来达到快速启动,就会增加经济投入。
(2)管理较复杂。由于微生物种类、性质各不相同,对运行管理较为严格。
(3)厌氧生物处理后的废水不能达到排放标准。厌氧生物处理对氮和 等营养元素的去除率不高,厌氧消化只是把含氧和磷的有机物转化为氧氮和磷酸盐,微生物合成新细胞用到的氮和磷也较少,因此,厌氧消化系统除水中氮和磷的含量一般达不到排放标准。氮和磷等营养物质排入水体可引起湖泊发生富营养化,由于该法的利用存在局限性,当被处理的废水对氮和 的含量要求较高时,就应当采用厌氧和好氧相结合的处理工艺。
(4)厌氧生物技术在处理废水时可能会造成二次污染。由于废水中硫酸盐的存在,在厌氧条件下硫酸盐被氧化而放出H2S等恶臭气体。
(5)厌氧微生物对有毒物质非常敏感,因此,要严格控制有毒物质进入厌氧消化系统中。
2.3厌氧微生物降解动力学原理
微生物降解动力学是指目标化合物的微生物降解速率。厌氧消化过程中
的动力学主要有两个方面的内容:即厌氧微生物生长动力学和有机物降解动力学。莫诺德(Monod)动力学方程可表示为:
dCKmaxCX ?dtKS?C式中,
dC为基质利用速率[mg/(L.d)];Kmax为最大比基质利用速率dt[gCOD/(gVSS-d) ]; C为生长限制基质浓度(与生物体接触的浓度,mg/L); X为生物浓度(mg/L); Ks为半饱和浓度(mg/L).
溶解性基质的生物转化速率可由莫诺德方程表示。 则有
U=rk
莫诺德方程可表示为
k?Kmax?
KS??因为Umax?rKmax，而u=rk,上式也可以写作
Umax?
KS??u?式中,p为基质浓度;Kmax为最大比基质利用率:umax为最大比细胞增长率;
Ks为基质亲合力常数或饱和常数,它等于当u?1Kmax时的基质浓度。 2 在厌氧处理的产甲烷阶段,产甲烷菌将COD转化为CH4和细胞物质。假定产生的细胞物质占被转化的COD的产率为rn,则转化为CH4的COD的产率为1-rn 。
在酸化阶段,基质被转化为细胞物质和挥发性脂肪酸,假定细胞产率为rm,则转化为VFA的分值为1-rm。
在稳定的生物处理系统中,有机物质的氧化分解;新细胞的合成;老细胞的衰亡是同时进行的。将以上过程综合起来,就得到下面方程:
dXdS?Y(?)?bX dtdt式中
dX—微生物净增长速率,mg微生物/ (L2d); dt ?dS—基质降解速率,mg基质/ (L2d); dtY—新细胞增长常数,即产率,mg微生物/ mg基质; b—细菌自身氧化分解率,也称衰减系数,d-1 ; X—微生物浓度,mg微生物/ L; 将上式两边各除以X,得
dX?dS????dtdt??b u??Y?XX??????dX式中：dt是微生物的比增长速度u;
X?dXdt是单位微生物在单位时间内降解基质的量； X2.4厌氧处理微生物生态学
在厌氧处理系统中,存在着种类繁多,关系复杂的微生物区系。这些微生
物相互协同共同完成一个复杂的厌氧降解反应过程,总的来说,这些微生物大致可以分为两类:产甲烷菌、不产甲烷菌。
2.4.1不产甲烷菌
不产甲烷菌(发酵细菌、产氧产乙酸细菌和同型产乙酸菌)在厌氧消化
过程中也起着非常重要的作用。
一、发酵细菌
发酵细菌是一个混合细菌群,主要由专性厌氧细菌组成。这类微生物能够在厌氧条件下将不溶性大分子有机物水解为可溶性小分子物质,并利用这些小分子物质生成各种酸、H2和C02。
二、产氢产乙酸细菌
产氢产乙酸菌能够将水解产物转化为C02、02以及乙酸。水解酸化过程中的产物部分能够直接被甲烷菌利用,部分不能被甲烷菌利用,这时产氧产乙酸菌就在整个厌氧消化过程中发挥极为的重要。产氢产乙酸菌能将各种VFA降解成为乙酸并放出H2。
三、同型产乙酸细菌
同型产乙酸菌是混合营养性厌氧细菌,不仅能利用有机基质产生乙酸,也能利用H2和C02产生乙酸。因为同型产乙酸细菌可以利用氢气而降低氢气分压,所以对产氢气的发酵性细菌有利,同时对利用乙酸的产甲烧菌也有利。
2.4.2产甲烷菌
为了避免产甲烷菌与另一类氧化好氧细菌相混淆,1974年Bryant提出产
甲烷菌这一名词。产甲烷菌有多种形态,大致可分为杆状、球状、螺旋状和八叠状等四类形态。螺旋状产甲烷菌目前仅发现一种。由于产甲烷菌是生存于极端厌氧的环境中和其对氧高度敏感的特性,使其成为难于研究的细菌之一。因此到20世纪70年代分类学家才以菌体细胞的形态学特征,再辅以某些生理学形状和对各种基质的利用能力来进行分类。随着电镜的使用和现代生化技术的发展,逐步进入依据细胞学水平和分子水平的差异来进行分类。1956年,巴克将甲烷菌归纳成1个科和4个属,共8个种。1974年在《伯捷氏细菌鉴定手册》的第八版中,布赖恩特扔根据巴克的意见把产甲烷菌列为1个产甲烷菌科,下分为甲烷杆菌属(5个种)、甲烷八叠球菌属(2个种)和甲烷球菌属(2个种),共9个种。到1991年为止,共分离到产甲烷菌65个种。
产甲烷菌是一个特殊的专门的生理群,具有特殊的细胞成分和产能代谢功能,是一群形态多样,可代谢氢、二氧化碳及少数几种简单有机物生成甲烷的严格厌氧的古细菌。
2.4.3不产甲烷菌和产甲烷菌之间的相互关系
在厌氧处理系统中,微生物的种类很多、关系也很复杂。甲烷的产生是各
种微生物相互平衡、协同作用的结果。不产甲烷菌依赖产甲烷菌,同时,产甲烷菌也依赖不产甲烷菌,它们之间相互依存又相互制约,在厌氧生物处理系统中它们是同时存在的。
(1)不产甲烷细菌为产甲烷菌提供营养物质。发酵细菌可以把高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白质等进行发酵,生成H2、C02、氨、及各种酸等,为产甲烷细菌提供碳源和氮源。
(2)不产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位。消化液、进料时都会使氧气混入,这些氧会抑制产甲烷菌的生长。但是,兼性厌氧菌和兼性好氧菌能够减少装置中的氧含量,。在厌氧装置中的各种厌氧微生物对氧化还原电位的适应性是不同的。如果这些微生物能够正常的生长代谢,就会降低消化液中的氧化还原电位,使产甲烷菌能够正常生长。
(3)不产甲烷细菌能够清除系统中的有毒物质。废水中特别是工业废水中可能会含有重金属、酷、氰等有毒物质,不产甲烷菌可以分解、吸收、转化这些有毒物质,有的还能够以氰化物作为碳源和能源,都能够解除有毒物质对产甲烷菌的毒害。
(4)产甲烷细菌能够把不产甲烷细菌的反馈抑制解除。不产甲烷菌的很多发酵产物对自己本身是有抑制作用的。而产甲烷菌可以消耗掉这么产物将它们转化为C02和CH4,使不产甲烷细菌的代谢能够正常进行。
(5)不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持系统中的适宜pH值。在厌氧消化初期,发酵微生物在降解有机物时会产生酸性物质,导致消化液中的pH值持续下降。同时,氨化细菌可以分解蛋白质产生氨。氨可中和消化液中的部分酸性物质,对厌氧消化系统起到一定的缓冲作用。到了厌氧发酵后期,产甲烷细菌可以将乙酸、氢和C02转化为CH4,从而维持厌氧消化系统pH值的稳定。
2.5 原料预处理的研究进展
厌氧发酵原理及其工艺
